MATERIALE TEXTILE INTELIGENTE
Popescu Ramona-Eugenia, ing. prof. grd.I, Şcoala cu clasele I-VIII „Mihai Eminescu” Ploieşti
Abstract: Smart fabrics are ones which can change/react automatically to their surroundings. Smart fabrics (-or intelligent
textiles) are being developed to be able to sense what is happening to the wearer or its immediate surroundings.
This paper deals with the concept of smart materials, especially textile materials, addressing the categories of smart materials in terms of utility and their characteristics, exemplifying their use. Also, treated the dynamic nature of these materials, that is how the sensors detect the stimulus, processes and updates data, providing an answer to that.
Key words: e-textiles, sensor, actuator, shape memory materials, change phase materials, photochromic, conductive
1. INTRODUCERE
Noţiunea de „materiale inteligente” a fost introdusă la sfârşitul anilor 90′ pentru a desemna materiale care îşi modifică proprietăţile sub acţiunea unor stimuli, aşa cum se arată în fig.1, prin introducerea unor substanţe cu proprietăţi specifice ( aliaje metalice, polimeri, parafine, etc) în materiale de diferite naturi – textile, plastice, metalice sau aliaje metalice, materiale de construcţii, etc.
fig.1 Comportamentul dinamic al materialelor inteligente
Cele trei procese (detectare-prelucrare-actualizare) sunt încorporate separat în materialele inteligente şi trebuie unite printr-un sistem de control automat. De exemplu, la creşterea temperaturii corporale, microcapsulele cu gel încorporate în material detectează schimbarea temperaturii, gelul se topeste şi reduce temperatura pielii până la valorile normale.
Senzorii detectează semnalul dat de stimul
Procesorul analizează semnalul
Actuatorul acţionează asupra semnalului primit fie direct, fie
dintr-o unitate centrală de control
Atât natura stimulului, cât şi a răspunsului sunt diverse: dacă stimulii pot fi electrici, magnetici, mecanici, termici, etc, răspunsul poate consta în schimbarea fazei, a dimensiunilor, a proprietăţilor electrice, a aspectului, etc. Drept senzori-actuatori sunt consideraţi: materiale foto şi termosensibile ( detectează şi reacţioneză la schimbarea intensităţii luminoase, a temperaturii şi a umidităţii) , fibre optice ( transmit cele mai mici impulsuri electrice conţinând informaţii digitale),
microcapsule, micro şi nanomateriale ( fibre cu valori ale fineţii cuprinse între 5-10µm şi 10-9m).
2. CARACTERISTICILE MATERIALELOR TEXTILE INTELIGENTE
Materialele textile inteligente se obţin din fibre şi fire inteligente, utilizând nanotehnologii, senzori, procesoare, dispozitive, pentru diverse utilizări: echipament militar, articole medicale ( pentru determinarea stării de sănătate, profilaxie şi tratament), echipamente de protecţie ( pentru pompieri, muncitori în condiţii deosebite, etc), echipament sportiv ( alpinism, nataţie, atletism, etc), divertisment
( produse de îmbrăcăminte cu dispozitive muzicale încorporate), articole casnice şi industriale, etc. În funcţie de tipul reacţiei la stimului, materialele textile inteligente pot fi: pasive ( doar sesizează stimulul extern), active ( sesizează şi reacţionează la stimuli) şi foarte inteligente ( sesizează, reacţionează şi se adaptează la stimuli).
Conceptul de „materiale inteligente” are la bază proprietăţile deosebite în ceea ce priveşte durabilitatea, reglarea confortului, protecţia termică, menţinerea formei, tratarea leziunilor, masă redusă, costuri de preducţie scăzute, etc. Pe de altă parte, nu trebuie neglijat nici aspectul ecologic al producerii acestor categorii de materiale, având în vedere că se obţin din resurse regenerabile şi biodegradabile care nu afectează nici
sănătatea umană şi nici mediul.
3. GRUPE DE MATERIALE TEXTILE INTELIGENTE
Cele mai importante grupe de materiale inteligente sunt:
Materiale tip SMM ( Shape Memory Materials – Materiale care memorează forma)
Materiale tip PCM ( Phase Change Memory – Materiale care memorează faza)
Materiale cromatice
Materiale conductive
a) Materialele cu memoria formei (SMM)
Aceste materiale pot trece dintr-o formă ocupată la un moment dat la forma ocupată anterior sub acţiunea unor stimuli externi. De exemplu, monitorizarea formei sub acţiunea căldurii- memorarea formei indusă termic- are aplicaţii în domeniul textil ( produse textile destinate activităţilor sportive, pentru sezonul rece), medicale (suturi), produse şi sisteme miniaturizate, articole casnice ( filtre pentru cafea, valve pentru duşuri, etc). Există mai multe tipuri de materiale care monitorizează
forma, dintre care amintesc: aliaje ( Cu-Zn – din care se confecţionează arcuri lamelare, plate la temperatură inferioară şi arcuite la temperatură superioară; Ni-Ti ), polimeri, pelicule bimateriale laminate sau pelicule poliuretanice, acestea din urmă fiind folosite, de exemplu, pentru a realiza produse textile ce sunt, în acelaşi timp, şi impermeabile la apă, la vapori şi la aer.
În primul rând, materialul este prelucrat convenţional pentru a primi forma permanentă; ulterior, forma permanentă este deformată, stabilind forma temporară, în cadrul unui proces de programare. Procesul de programare fie constă în încălzirea eşantionului, deformarea şi răcirea probei, fie în tratarea eșantionului la temperaturi scăzute.
Jachete din polimer poliuretanic tip DiAPLEX -forme induse termic
Un exemplu de aplicaţie a materialelor care memorează forma în domeniul produselor de îmbrăcăminte este materialul numit DiAPLEX, realizat pentru prima dată de Mitsubishi Heavy Industries
din Japonia, un polimer poliuretanic ce poate fi introdus în
materialul textil pentru a obţine produse impermeabile la apă şi
vapori în cazul în care, datorită desfăşurării unor activităţi fizice
intense sau a schimbărilor climaterice bruşte.
Activarea acestor materiale presupune extinderea zonelor de aer
dintre straturile textile, permiţând creşterea capacităţii de izolare
termică a produsului. Prin includerea aliajelor între straturile
textile, diferenţa dintre straturi poate fi crescută substanţial peste
temperatura de activare, care îmbunătăţeşte considerabil protecţia
împotriva căldurii exterioare.
b) Materiale textile care îşi modifică faza ( PCM )
Aceste tipuri de materiale asigură controlul dinamic al fluxului termic, funcţionând ca o interfaţă termică cu exteriorul, având aplicaţii în diverse domenii, cum ar fi: agricultură, construcţii, industria
aerospaţială, telecomunicaţii, industria textilă ( îmbrăcăminte, lenjerie şi încălţăminte), telecomunicaţii, echipamente şi instalaţii.
Materialele PCM mai pot fi numite materiale cu energie latentă stocată, deoarece absorb sau eliberează cantităţi importante de energie
la schimbarea stării de agregare (solid- lichid, lichid-solid), fiind caracterizate de un ciclu termic, iar cele mai cunoscute astfel de substanţe sunt sărurile anorganice, amestecuri ceară – parafină, amestecurile de săruri. Cele mai importante materiale PCM sunt cele de
tip ” solid-lichid”, având grad mare de aplicabilitate în diverse domenii.
Principiul de comportare a ţesăturilor PCM re lichidă, materialul înglobează o cantitate mare de energie, iar temperatura rămâne constantă pe întreaga perioadă a procesului de topire.
Burlington Worldwide (BWW), în parteneriat cu Outlast Technologies şi Ciba, a creat un finisaj care permite ţesăturii să se adapteze la schimbările de temperatură pentru haine mai confortabile şi versatile. Tehnologia numită Smart Fabric Technology (tehnologie pentru obţinerea ţesăturilor inteligente), este bazată pe introducerea în materiale a microcapsulelor PCM numite Thermocules.
Aceste materiale absorb şi elibează căldură pentru un confort sporit, fără a compromite caracteristicile inerente ţesăturii. O parafină-PCM, de exemplu, absoarbe 20kJ /kg de căldură în timpul procesului de topire. Această cantitate de căldură este eliberată apoi în zona înconjurătoare pe durata răcirii.
Teoretic, posibilităţile de utilizare a materialelor PCM sunt nelimitate (construcţii, uniforme militare, activităţi sportive, medicale,industriale, articole pentru protecţie), totuşi trebuie să se ţină seama de anumite restricţii, cel mai important aspect fiind referitor la temperatura schimbării de fază (care este de 30-35°C –apropiată de temperatura corpului uman); alţi factori se referă la cost,toxicitate şi disponibilitate.
c) Textile electronice ( materiale conductive)
Materialele conductive combină procesele de finisare a ţesăturilor
permeabile la aer şi vapori cu inserţia de materiale metalice.
Adăugarea de nichel, cupru sau argint ca strat superficial având
diferite grosimi în materialul textil îi conferă acestuia
proprietăţi fizice şi electrice deosebite, ce pot avea numeroase
aplicaţii. De exemplu, conductivitatea termică a ţesăturilor
creşte de mii de ori după metalizarea fibrelor, pe cînd ţesăturile
obişnuite oferă o izolare termică minimă.
O altă categorie de fibre conductive o reprezintă fibra de carbon. ECT (Electric Conductive Textile- textile cu conductivitate electrică) reprezintă materiale textile din fibre de sticlă acoperite cu câţiva nanomeri de carbon ce pot fi ţesute sau tricotate cu orice tip de fibre de sticlă sau fire. Carbonul oferă conductivitate electrică, deci şi rezistenţă electrică ce poate fi utilizată drept mediu de încălzire electrică.
O altă categorie de materiale conductive o reprezintă textilele electronice care permit trecerea curentului electric prin ele sau au încorporate dispozitive electronice portabile ( microfoane, senzori,
conectori sau circuite integrate). Această categorie de materiale conductive prezintă aceleaşi caracteristici, şi anume:
Caracteristicile materialelor textile care conţin dispozitive electronice portabile
Produsele de îmbrăcăminte electronice au o nouă şi revoluţionară proprietate, şi anume permiterea schimbului de informaţii. Hainele sunt acum capabile să înregistreze, să analizeze, să stocheze, să
trimită şi să afişeze informaţii, având multiple aplicaţii: în medicină
(bandaje inteligente –monitorizarea parametrilor de sănătate şi tratarea leziunilor), securitate ( detectarea pericolului şi solicitare de ajutor),sport (monitorizarea parametrilor), armată
( uniforme care detectează mişcare, tempera-tură, evaluarea stării de sănătate), IT (tastatură textilă,interfaţă pentru calculatoare şi jocuri).
b) ţesătură de mătase cu bandă de cupru tip organza
d) Tricou inteligent
a) Jacheta muzicală cu tastatură integrată
c) Circuit inclus în ţesătură organza
e) uniformă militară inteligentă
Aplicaţii ale textilelor electronice
f) Bandaje inteligente
d) Materiale cromatice
Această categorie de materiale îşi pot schimba, anula sau radia culoarea în funcţie de stimuli externi.
În funcţie de natura stimulului extern, materialele cromatice pot fi:
Clasificarea materialelor cromatice în funcție de stimuli
Materialele fotocromatice îşi schimbă culoarea sub acţiunea luminii, având aplicaţii diverse, cel mai cunoscut fiind cel al lentilelor pentru ochelarii de soare. În domeniul textil, o importanţă deosebită
o au ţesăturile LUMINEX, produse în Italia, care au încorporate fibre-led în ţesătura obişnuită, şi care se activează la anumite intensităţi ale luminii în una din cele 5 culori disponibile (alb, galben,
roşu, albastru şi verde) (fig.11)
Material fotocromatic LUMINEX
Materialele termocromatice îşi schimbă culoarea sub acţiunea căldurii datorită prezenţei unor coloranţi termocromatici introduşi în microcapsule cu gel, care sunt activaţi la atingerea anumitor
niveluri de temperatură. Se folosesc la îmbrăcămintea de protecţie ( domenii de lucru în condiţii de vizibilitate redusă sau foarte puternică), semnalizarea traseelor de ieşire în caz de urgenţă, îmbrăcăminte pentru pompieri, realizarea jucăriilor, etc.
b) se observă ciclul de schimb
MATERIALE
CROMATICE
FOTOCROMATICE
(lumina)
TERMOCROMATICE
(căldura)
ELECTROCROMATICE
(electricitate)
PIEZOCROMATICE
( presiunea)
SOLVATOCROMATICE
( solvent lichid)
CARSOLCROMATICE
(flux de electroni)
bare a culorii unei ţesături imprimate cu Americos Thermochromic Red. se observă imprimeul original, la o temperatură situată sub limita de
31°C; pe măsură ce materialul este încălzit cu fierul de călcat -fig
(b), acesta îşi pierde culoarea până la albirea totală- , culorile revenind la cele iniţiale, . O aplicaţie a utilizării pigmenţilor şi a coloranţilor termocromatici o reprezintă obţinerea tricoului termocromatic
a) Tricou termocromatic
b) Ciclul modificărilor cromatice la țesătura imprimată cu Americos Thermochromic Red
Aplicaţii ale materialelor textile termocromatice
Materialele electrocromatice îşi schimbă culoarea în mod repetat şi reversibil sub acţiunea electricității.
Dispozitivele electrocromatice au avantajul de a menţine culoarea fără aport constant de energie, având, de asemenea, posibilitatea de alegere a culorii
dintr-un spectru larg, limitat doar de disponibilitatea de monomeri. Un mod simplu de obţinere a materialelor textile electrocromatice este reprezentat de acoperirea nanofibrelor conductive cu cerneluri sau coloranţi; modificarea culorii se declanşează odată cu încălzirea materialului sub acţiunea curentului electric
4. CONCLUZII
Dezvoltarea tehnologiilor de obţinere a produselor textile inteligente reprezintă o sursă de referinţă unică şi esenţială pentru cercetători, specialişti în electronică, ingineri şi designeri, aceştia trebuind
să ia în considerare foarte mulţi factori – de la concept până la punctul de vânzare, astfel încât produsele să satisfacă cerinţele consumatorului. Această categorie largă de produse ar trebui să fie nu doar funcţională, ci şi estetică şi confortabilă, iar interfaţa electronică să fie uşor de utilizat.
Fabricarea de materiale textile inteligente reprezintă,deci, un domeniu cu un potenţial şi cu un viitor deosebite, cu implicaţii în domenii multiple, dintre care cele mai importante par a fi domeniile militare,
cele medicale, industriale, divertisment şi modă.
BIBLIOGRAFIE
[1] *** https://ktn.innovateuk.org/web/smart-materials/group-reports
[2] *** http://www.engi-tech.ca/products.html
[3] *** http://www.emory.edu/BUSINESS/readings/SmartTextiles.pdf
